ВТВЪРДЯВАНЕ: ТОЧКА НА ВТВЪРДЯВАНЕ И ПРИМЕРИ - ХИМИЯ - 2025

На втвърдяването е течност, която се подлага на промяна, когато тя преминава към твърдата фаза. Течността може да бъде чисто вещество или смес. По същия начин промяната може да се дължи на спад на температурата или в резултат на химическа реакция.

Как може да се обясни това явление? Визуално течността започва да се превръща вкаменена или втвърдена до степен, че спира да тече свободно. Втвърдяването обаче всъщност се състои от поредица от стъпки, които се случват на микроскопични мащаби.

Източник: Pixabay

Пример за втвърдяване е течен мехур, който замръзва. На изображението по-горе можете да видите как балон замръзва при контакт със сняг. Каква е частта от мехура, която започва да се втвърдява? Тази, която е в пряк контакт със снега. Снегът работи като опора, върху която молекулите на балона могат да се утаят.

Втвърдяването бързо се задейства от дъното на мехура. Това може да се види в „остъклените борове“, които се простират, за да покрият цялата повърхност. Тези борове отразяват растежа на кристалите, които не са нищо повече от подредени и симетрични разположения на молекулите.

За да се случи втвърдяване е необходимо частиците от течността да бъдат подредени по такъв начин, че да взаимодействат помежду си. Тези взаимодействия стават по-силни с намаляването на температурата, което се отразява на молекулярната кинетика; тоест те се забавят и стават част от кристала.

Този процес е известен като кристализация и наличието на ядро ​​(малки агрегати от частици) и опора ускорява този процес. След като течността кристализира, тогава се казва, че се е втвърдила или замръзнала.

Енталпия на втвърдяване

Не всички вещества се втвърдяват при една и съща температура (или при една и съща обработка). Някои дори „замръзват“ над стайна температура, като например твърди твърди частици. Това зависи от вида на частиците, които съставляват твърдото или течното.

В твърдото вещество те си взаимодействат силно и остават да вибрират в неподвижни позиции в пространството, без свобода на движение и с определен обем, докато в течността имат способността да се движат като многобройни слоеве, които се движат един върху друг, заемайки обема на контейнер, който го съдържа.

Твърдото вещество изисква топлинна енергия, за да премине в течната фаза; с други думи, тя се нуждае от топлина. Получава топлина от заобикалящата го среда, а най-малкото количество, което поглъща за генериране на първата капка течност, е известно като латентна топлина на синтез (ΔHf).

От друга страна, течността трябва да отделя топлина в заобикалящата си среда, за да подреди молекулите си и да кристализира в твърдата фаза. Тогава отделената топлина е латентната топлина на втвърдяване или замръзване (ΔHc). И ΔHf и ΔHc са равни по величина, но с противоположни посоки; първият има положителен знак, а вторият отрицателен.

Защо температурата остава постоянна при втвърдяване?

В определен момент течността започва да замръзва и термометърът отчита температура Т. Докато течността не се е втвърдила напълно, Т остава постоянна. Тъй като ΔHc има отрицателен знак, той се състои от екзотермичен процес, който отделя топлина.

Следователно термометърът ще отчете топлината, отделяна от течността по време на фазовото й изменение, противодейства на наложения спад на температурата. Например, ако контейнерът, който съдържа течността, се поставя в ледена баня. По този начин, Т не намалява, докато втвърдяването е напълно завършено.

Какви единици придружават тези измервания на топлина? Обикновено kJ / mol или J / g. Те се интерпретират по следния начин: kJ или J е количеството топлина, необходимо на 1 мол течност или 1 g, за да може да се охлади или втвърди.

Например за водата, ΔHc е равна на 6,02 kJ / mol. Тоест, 1 мол чиста вода трябва да отделя 6,02 kJ топлина, за да замръзне, и тази топлина е това, което поддържа температурата постоянна в процеса. По същия начин, 1 мол лед трябва да абсорбира 6,02 kJ топлина, за да се стопи.

Точка на втвърдяване

Точната температура, при която протича процесът, е известна като точка на втвърдяване (Tc). Това варира при всички вещества в зависимост от това колко силни са техните междумолекулни взаимодействия в твърдото вещество.

Чистотата също е важна променлива, тъй като нечистото твърдо вещество не се втвърдява при същата температура като чистото. Това е известно като понижаване на точката на замръзване. За да се сравнят точките на втвърдяване на веществото, е необходимо да се използва като еталон тази, която е възможно най-чиста.

Същото обаче не може да се приложи за разтвори, както в случая с метални сплави. За да се сравнят точките им на втвърдяване, трябва да се имат предвид смеси с равни пропорции на масата; тоест с идентични концентрации на неговите компоненти.

Със сигурност точката на втвърдяване представлява голям научен и технологичен интерес по отношение на сплавите и други разновидности материали. Това е така, защото чрез контролиране на времето и начина, по който те се охлаждат, могат да се получат някои желани физически свойства или тези, неподходящи за дадено приложение.

Поради тази причина разбирането и изучаването на тази концепция е от голямо значение в металургията и минералогията, както и във всяка друга наука, която заслужава да произвежда и характеризира материал.

Втвърдяване и точка на топене

Теоретично Tc трябва да е равна на температурата или точката на топене (Tf). Това обаче не винаги е вярно за всички вещества. Основната причина е, защото на пръв поглед е по-лесно да се объркат твърдите молекули, отколкото да се поръчат течните.

Следователно, на практика се предпочита използването на Tf за качествено измерване на чистотата на съединението. Например, ако съединение X има много примеси, тогава неговият Tf ще бъде по-далечен от този на чист X в сравнение с този с по-висока чистота.

Молекулярно подреждане

Както беше казано досега, втвърдяването преминава към кристализация. Някои вещества, предвид естеството на техните молекули и взаимодействията им, изискват много ниски температури и високо налягане, за да могат да се втвърдят.

Например, течен азот се получава при температури под -196 ° С. За да се втвърди, ще бъде необходимо да се охлади допълнително, или повишаване на налягането върху него, като по този начин принуждава N ₂ молекули на група заедно за създаване ядра на кристализация.

Същото може да се има предвид и за други газове: кислород, аргон, флуор, неон, хелий; и за най-крайния от всички водород, чиято твърда фаза привлече много интерес заради възможните си безпрецедентни свойства.

От друга страна, най-известният случай е сух лед, който не е нищо повече от CO _2, чиито бели пари се дължат на сублимацията му при атмосферно налягане. Те са били използвани за пресъздаване на мараня на сцената.

За да се втвърди съединението, това не зависи само от Tc, но и от налягането и други променливи. Колкото по-малки са молекулите (H ₂) и колкото по-слаби са взаимодействията им, толкова по-трудно ще бъде да ги приведете в твърдо състояние.

преохлаждането

Течността, независимо дали е вещество или смес, ще започне да замръзва при температура в точката на втвърдяване. Въпреки това, при определени условия (като висока чистота, бавно време за охлаждане или много енергична среда), течността може да понася по-ниски температури без замръзване. Това се нарича преохлаждане.

Все още няма абсолютно обяснение на явлението, но теорията подкрепя, че всички онези променливи, които възпрепятстват растежа на ядрата за кристализация, насърчават преохлаждането.

Защо? Тъй като от ядрата се образуват големи кристали след добавяне на молекули от околната среда към тях. Ако този процес е ограничен, дори температурата да е под Tc, течността ще остане непроменена, както се случва с малките капки, които се състоят и правят облаците видими в небето.

Всички преохладени течности са метастабилни, тоест са податливи на най-малкото външно смущение. Например, ако добавите малко парче лед към тях или ги разклатите малко, те незабавно ще замръзнат, което е забавен и лесен експеримент за изпълнение.

Примери за втвърдяване

-Въпреки че сам по себе си не е твърдо вещество, желатинът е пример за процес на втвърдяване чрез охлаждане.

-Запечено стъкло се използва за създаване и проектиране на много предмети, които след охлаждане запазват окончателните си дефинирани форми.

-Само когато балонът замръзна при контакт със сняг, бутилка със сода може да премине същия процес; и ако е преохладено, замръзването му ще бъде моментално.

-Когато лавата излиза от вулканите, покриващи техните краища или земната повърхност, тя се втвърдява, когато губи температура, докато не се превърне в магматични скали.

-Яйцата и питките се втвърдяват с повишаване на температурата. По същия начин и носната лигавица го прави, но поради дехидратация. Друг пример може да се намери и в боя или лепила.

Трябва обаче да се отбележи, че втвърдяването не се случва в последните случаи като продукт на охлаждане. Следователно фактът, че течността се втвърдява, не означава непременно, че замръзва (не намалява значително температурата й); но когато течност замръзне, тя завършва втвърдяване.

Други:

- Преобразуването на водата в лед: това се случва при 0 ° C, произвеждайки лед, сняг или ледникови кубчета.

- Восъкът на свещта, който се топи с пламъка и се втвърдява отново.

- Замразяване на храната за нейното консервиране: в този случай водните молекули се замразяват в клетките на месо или зеленчуци.

- Издухване на стъкло: това се стопява, за да му придаде форма и след това се втвърдява.

- Производството на сладолед: те обикновено са млечни, които се втвърдяват.

- При получаване на карамел, който е разтопена и втвърдена захар.

- Маслото и маргаринът са мастни киселини в твърдо състояние.

- Металургия: при производството на блокове или греди или конструкции от определени метали.

- Циментът е смес от варовик и глина, която при смесване с вода има свойството да се втвърдява.

- При производството на шоколад какаото на прах се смесва с вода и мляко, което при сушене се втвърдява.

Препратки

1. Уитън, Дейвис, Пек и Стенли. Химия. (8-мо изд.). CENGAGE Learning, стр. 448, 467.
2. Wikipedia. (2018). Замразяване. Взета от: en.wikipedia.org
3. Лорен А. Джейкъбсън. (16 май 2008 г.). Втвърдяване., Взето от: infohost.nmt.edu/
4. Сливане и втвърдяване. Взето от: juntadeandalucia.es
5. Д-р Картър. Втвърдяване на стопилка. Взето от: itc.gsw.edu/
6. Експериментално обяснение на преохлаждането: защо водата не замръзва в облаците. Взета от: esrf.eu
7. Хелменстин, Ан Мари, доктор на науките (22 юни 2018 г.). Определение и примери за втвърдяване. Взета от: thinkco.com